Mikrokontroléry ATMEL AVR Popis procesoru a instrukèní soubor Vladimír Váòa Praha 2003
Mikrokontroléry ATMEL AVR se v poslední dobì staly spolu s mikrokontroléry PIC firmy MICROCHIP a jednoèipovými mikropoèítaèi s jádrem x51 nejrozšíøenìjšími jednoèipáky v øadì amatérských i profesionálních konstrukcí u nás Z této trojice nejpoužívanìjších øad jsou nejmladší a tak dosud nemìl èeský uživatel, programátor èi konstruktér možnost seznámit se (s výjimkou informativních èasopiseckých èlánkù) podrobnì s jejich architekturou a kompletním popisem instrukèního souboru v èeštinì Proto si publikace klade za cíl seznámit èeského ètenáøe pøedevším s architekturou AVR a se souborem instrukcí V èásti popisující architekturu seznamuje s jádrem AVR MCU, s organizací pamì ového systému a adresovacími módy, s I/O prostorem, popisem periferií integrovaných v AVR MCU jako jsou porty, èítaèe/èasovaèe, SPI, UART, A/D a popisem jejich registrù, což jsou údaje potøebné pøi programování i pro návrh praktických zapojení Tato publikace má tedy spíše poskytovat teoretický základ, potøebný pøi ètení dalších publikací, týkajících se již praktických konstrukcí èi programování Protože je v souèasné dobì i nedostatek publikací o AVR zamìøených spíše prakticky, jsou v této úvodní publikaci o AVR zaøazeny i ukázky praktických konstrukcí ISP programátoru s AT90S1200 a jednoduchého vývojového kitu s AT90S8515, vèetnì obrazce jednostranných plošných spojù a dále i struènou informaci o potøebném vývojovém software, vèetnì odkazù na Internetu, kde lze tento software zdarma získat Vladimír Váòa Mikrokontroléry ATMEL AVR popis procesoru a instrukèní soubor Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny Všechny registrované nebo jiné obchodní známky použité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva Veškerá práva vyhrazena Vladimír Váòa, Praha 2003 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Vladimír Váòa: Mikrokontroléry ATMEL AVR popis procesoru a instrukèní soubor BEN technická literatura, Praha 2003 1 vydání ISBN 80-7300-083-0
OBSAH Seznam instrukcí (øazen dle oèíslovaných stran v knize) 5 Slovo autora 7 Mikroprocesory rodiny AVR 9 1 Architektura mikrokontrolérù AVR 11 2 AVR øady mikrokontrolérù 17 3 Adresovací módy 19 4 Další prvky architektury AVR 23 Hlídací obvod Watchdog 23 Obvod RESETu 25 Èítaèe/èasovaèe 26 Serial Periphal Interface SPI synchronní sériový port 36 UART 40 Analogový komparátor 45 A/D pøevodník 47 5 Vnitøní pamì EEPROM 53 6 I/O porty 55 7 Pøerušovací systém 67 Instrukèní soubor MCU AVR 68 A 3 ATMEL AVR POPIS PROCESORU A INSTRUKÈNÍ SOUBOR
8 Pøíklady konkrétních AVR MCU 69 AT90S1200 69 AT90S2313 71 AT90S8515 72 AT90S8535 74 Programování pamìtí na èipu MCU 74 AVR studio 79 9 Poznámka na konec 83 Pøíloha 1 instrukèní soubor øady AVR 84 Stavový registr (SREG) 84 Registry a operandy 84 I/O registry RAMPX, RAMPY, RAMPZ 85 RAMPD 85 EIND 85 STACK 85 Pøíznaky (FLAGs) 85 Podmínky vìtvení programu 85 Úplný instrukèní soubor 86 Literatura 327 4 VLADIMÍR VÁÒA A
SEZNAM INSTRUKCÍ (øazen dle oèíslovaných stran v knize) ADC 90 ADD 92 ADIW 94 AND 96 ANDI 98 ASR 100 BCLR 102 BLD 104 BRBC 106 BRBS 108 BRCC 110 BRCS 112 BREQ 114 BRGE 116 BRHC 118 BRHS 120 BRID 122 BRIE 124 BRLO 126 BRLT 128 BRMI 130 BRNE 132 BRPL 134 BRSH 136 BRTC 138 BRTS 140 BRVC 142 BRVS 144 BSET 146 BST 148 CALL 150 CBI 152 CBR 154 CLC 156 CLH 158 CLI 160 CLN 162 CLR 164 CLS 166 CLT 168 CLV 170 CLZ 172 COM 174 CP 176 CPC 178 CPI 180 CPSE 182 DEC 184 EICALL 186 EIJMP 188 ELPM 190 EOR 192 ESPM 194 FMUL 196 FMULS 198 FMULSU 200 A 5 ATMEL AVR POPIS PROCESORU A INSTRUKÈNÍ SOUBOR
ICALL 202 IJMP 204 IN 206 INC 208 JMP 210 LD 212 LD (LDD) 214 LD (LDD) 217 LDI 220 LDS 222 LPM 224 LSL 226 LSR 228 MOV 230 MOVW 232 MUL 234 MULS 236 MULSU 238 NEG 240 NOP 242 ORI 244 OR 246 OUT 248 POP 250 PUSH 252 RCALL 254 RET 256 RETI 258 RJMP 260 ROL 262 ROR 264 SBC 266 SBCI 268 SBI 270 SBIC 272 SBIS 274 SBIW 276 SBR 278 SBRC 280 SBRS 282 SEC 284 SEH 286 SEI 288 SEN 290 SER 292 SES 294 SET 296 SEV 298 SEZ 300 SLEEP 302 SPM 304 ST 306 STS 309 ST (STD) 311 ST (STD) 314 SUB 317 SUBI 319 SWAP 321 TST 323 WDR 325 6 VLADIMÍR VÁÒA A
SLOVO AUTORA V sedmdesátých letech minulého století, kdy spatøil svìtlo svìta první mikroprocesor a kdy technologie výroby složitých integrovaných obvodù byla v plenkách, byli návrháøi touto technologií omezeni a také jim scházely zkušenosti z použití tìchto nových prvkù Spolu se zlepšující se technologií a zkušenostmi z nasazení prvních mikroprocesorù se návrháøùm daøilo navrhovat stále dokonalejší obvody Koncem sedmdesátých let se pak vývoj tìchto obvodù rozdìlil do dvou smìrù První smìr vedl k stále se zvyšujícímu výkonu mikroprocesorù, vìtších kapacit i rychlostí pamìtí, lepších obvodù I/O apod Objevovaly se 16, 32 a 64bitové mikroprocesory s architekturou RISC i CISC Pøíkladem mùže být intelovská øada používaná v osobních poèítaèích PC èi pracovních stanicích poèínajíc typem 8086, pøes obvody 80286, 80386 a 80486 po procesory Pentium,, Pentium 4 Souèasnì postupoval i vývoj software využívaný tìmito mikroprocesory a to jak operaèní systémy (DOS, UNIX, LINUX, Windows apod ), tak i nástroje pro tvorbu programù poèínajíc assemblerem (v tìchto poèítaèích dnes již témìø nepoužívaným), pøes vyšší programovací jazyky jako Pascal èi C umožòující psát strukturované programy, C++, Java, C# atd pro objektovì orientované programování, rovnìž se zlepšovalo prostøedí tìchto vývojáøských nástrojù, což vedlo k nástupu nástrojù RAD (Visual Basic, Delphi, C++ Builder, JBulder atd ) Objevily se i nástroje CASE Velké množství zpracovávaných dat vedlo ke vzniku SQL a jeho používání v databázích jako napø MS SQL server èi Oracle atd, nástup sítí pak k rozvoji distribuovaných aplikací, koncepci klient/server a pozdìji i vícevrstvové architektuøe Dalším fenoménem byl rozvoj Internetu a intranetù, koncepce NET èi COM, e-bussiness atd Druhý smìr vedl k integraci celého poèítaèe na jeden èip Na tomto èipu je integrován jak vlastní mikroprocesor, tak pamìti i obvody I/O Vìtšinou je pøitom oddìlena pamì programu od pamìti pro data (Harwardská architektura), na rozdíl od spoleèné pamìti pro program i dat u poèítaèù prvního smìru (von Neumanovská architektura) Tyto poèítaèe, umístìné na jednom èipu, je nìkdy možné rozšíøit napø o další vnìjší pamì atd Je to umožnìno tím, že jejich vnitøní sbìrnice je vyvedena na vývody integrovaného obvodu Tìmto prvkùm pak obvykle øíkáme jednoèipové mikropoèítaèe V øadì pøípadù však vystaèíme s jedním obvodem, není potøeba rozšiøovat jeho pamì atd Vlastnosti tohoto poèítaèe k vytvoøení jednoduché aplikace bohatì staèí, pøitom je potøeba, aby cena tohoto obvodu byla co nejmenší Toho lze docílit mj i tím, že se co nejvíce sníží poèet vývodù obvodu a není vyvedena sbìrnice Potom obyèejnì mluvíme o jednoèipových øadièích (èi mikrokontrolérech MCU) Hranice mezi jednoèipovými øadièi a jednoèipovými mikropoèítaèi, jak jsme si ji definovali, není ostrá a jednotlivé produkty ji pøekrývají Jednoèipové mikropoèítaèe, schopné vytváøet vnìjší sbìrnici, se mohou èasto omezit na vnitøní pamì programu i dat a mohou tak být použity (pøi vyšší cenì prvku i spoje) ve funkci jednoèipového A 7 ATMEL AVR POPIS PROCESORU A INSTRUKÈNÍ SOUBOR
øadièe Nìkteøí výrobci dokonce dodávají levné varianty jednoèipových mikropoèítaèù v pouzdrech s malým poètem vývodù, u kterých je vnìjší rozšíøení vylouèeno Jako pøíklad si mùžeme uvést jednoèipový øadiè Philips 83C752 (87C572) v pouzdøe DIL28 (PLCC28), který je modifikací jednoèipového mikropoèítaèe Philips 83C552 Na druhou stranu, øady jednoèipových øadièù jsou rozšiøovány o prvky dovolující vytvoøit vnìjší sbìrnici Takové modifikace podstatnì zjednodušují vývoj programového vybavení, které se jinak musí opírat pouze o programové simulátory a opakované programování vnitøní pamìti EPROM èi EEPROM, pøípadnì o drahé emulaèní èipy Jako pøíklad rozšíøení øady jednoèipových øadièù smìrem k jednoèipovým mikropoèítaèùm si mùžeme uvést prvek Microchip 16C71, který rozšiøuje øadu øadièù Microchip 16C5x Pøipojení vnìjší pamìti umožòuje i øada AVR mikrokontrolérù ATMEL, jimiž se budeme dále zabývat v této knize Doménou jednoèipových øadièù jsou hromadnì vyrábìné øídicí obvody pro domácí spotøebièe, domácí audio-vizuální techniku, zabezpeèovací zaøízení, telefonní pøístroje Typickými aplikacemi je i obsluha vstupních zaøízení poèítaèù (klávesnice, myši), modemy, øízení zobrazovacích panelù v automobilech, zpracování signálù v inteligentních senzorech a jednoúèelové øízení motorù pro prùmyslovou automatizaci Vzhledem k nízké cenì jsou i vhodnou alternativou k logickým obvodùm tam, kde není vyžadována vysoká rychlost (vhodnou alternativou k logickým obvodùm v pøípadech, kdy požadujeme vysokou rychlost a souèasnì i možnost jejich naprogramování/pøeprogramování jsou napø obvody FPGA; ostatnì firma ATMEL má v rodinì AVR, o které pojednává tato kniha, i mikroprocesor s programovatelným polem FPGA Tato kombinace, umožòuje jednak uživateli naprosto volnou definici periferií dle potøeby konstruktéra, jednak redukuje množství rùzných variant, které musí výrobce vyrábìt, aby uspokojil rùznorodé požadavky zákazníkù) Zatímco ještì pøed pár lety byly jednoèipové øadièe typicky 4bitové a jejich aplikaèní použití se omezovalo na logické øízení, dnes se setkáváme pøevážnì s mikrokontroléry 8bitovými Pro nároènìjší aplikace (øízení automobilových motorù, ABS systémy) lze poèítat s pøíchodem jednoèipových øadièù 16bitových Bìžné jednoèipové mikropoèítaèe jsou 8bitové, jejich výkon je však nedostateèný pro øadu zajímavých aplikací Typickým pøíkladem je øízení vstøikování paliva a øízení zapalování spalovacích motorù nebo ochrana brzdového systému proti zablokování (systémy ABS) V tìchto aplikacích je nepostaèující i schopnost èasovaèù mìøit èasové parametry vstupních signálù a generovat výstupní signály s požadovanou pøesností Požadavky, kladené na tyto aplikace vedly k rozvoji 16bitových jednoèipových mikropoèítaèù, jejichž typickými pøedstaviteli jsou mikropoèítaèe øady Intel 8096/80C196 Šestnáctibitové jednoèipové mikropoèítaèe pokrývají souèasné potøeby øízení v reálném èase Oblast aplikací, na které již nestaèí jednak výpoèetní kapacitou, jednak rozsahem použitelné pamìti, je zpracování zvukového a obrazového signálu (pøípadnì signálù ultrazvukových a rentgenových snímaèù ve zdravotnictví èi prùmyslu, radarových systémù v dopravì a vojenství) Øada tìchto aplikací je doménou signálových procesorù vybavenou výkonnou aritmetickou jednotkou Jiné vyžadují 8 VLADIMÍR VÁÒA A
provést množství operací nad rozsáhlými daty a to je typická doména 32bitových mikroprocesorù a mikropoèítaèù Omezujícím faktorem pøi výbìru souèasných 32bitových mikroprocesorù pro vestavìné (Embedded) aplikace je nutnost vytvoøení velmi rychlé a dosti komplikované sbìrnice a pamì ového subsystému K tomu, abychom mohli mluvit o skuteèných jednoèipových mikropoèítaèích také chybí efektivní obvody rozhraní, které jsme mohli poznat u 8bitových a 16bitových mikropoèítaèù (èítaèe a èasovaèe, moderní pøevodníky A/D) Pokud jde o 8bitové jednoèipové mikropoèítaèe a mikrokontroléry patøí u nás mezi nejpoužívanìjší dvì øady Jednou z nich je mikropoèítaè 8051, který pochází z roku 1980 a je vývojovì relativnì starým U návrháøù však dosáhl takové obliby, že i v souèasné dobì se øada výrobcù, vèetnì firmy Atmel, orientuje na výrobu procesorù s jádrem 8051, které je rozšíøené o další periferie Je to procesor s architekturou jádra CISC Druhou øadou jsou mikrokontroléry PIC firmy Microchip s architekturou jádra mající silné prvky architektury RISC Jsou vhodné hlavnì pro jednoduché aplikace Kromì nízké ceny jsou výhodné i tím, že firma Microchip k nim poskytuje zdarma vývojový software a to jak assembler, tak i jazyk C Kromì øady x51 a PIC se u nás obèas ještì používá napø Zilog Z8 èi Motorola 68HC11, popø další O jejich hw i vývoji jejich sw vyšlo v nakladatelství BEN technická literatura dosti publikací, v èasopisech jako Amatérské rádio, Praktická elektronika èi Rádio plus KTE byla publikována øada konstrukcí zejména s procesory PIC èi x51 V poslední dobì se i u nás v maloobchodním prodeji a v konstrukcích objevují MCU AVR firmy ATMEL Protože zatím v èeštinì nejsou AVR pøíliš popsány, napsal jsem tento text pro potøebu výuky pøedmìtu Elektronické poèítaèe na støední prùmyslové škole elektrotechnické s touto specializací MCU AVR firmy Atmel jsou totiž mj i dalším, moderním prvkem pro vytváøení tzv embedded aplikací Je pøedpovídán velký rozvoj tìchto aplikací, zejména v souvislosti s mobilními komunikacemi, propojení s Internetem (jistì jste èetli napø úvahy o tom, jak kdejaká lednièka bude mít vlastní IP adresu, bude automaticky doobjednávat svùj obsah atd, èi o tom, že prvním takto realizovaným zaøízením je nìjaký topinkovaè) Svou pøíležitost zde nalézají i velké firmy, tvoøící pùvodnì jen software pro poèítaèe PC a vìtší Je to mj i Microsoft se svými embedded Visual Tools èi embedded doplòkem k VisualStudio NET, nebo SUN se svou Javou J2ME Mikroprocesory rodiny AVR Když firma Atmel vidìla, jaký úspìch na trhu zaznamenal Intel se svojí rodinou 80C5x, uvedla kolem roku 1993 svoji inovaci tohoto oblíbeného mikroprocesoru Tou inovací bylo použití pamìti flash jako programové pamìti, namísto do té doby používané pamìti EPROM Byl to velmi dobrý tah, nebo do té doby, aby bylo možné do mikroprocesoru nahrát (pøeprogramovat) nové programové vybavení, musel být zapouzdøen do velmi drahého keramického pouzdra s okénkem Po odladìní A 9 ATMEL AVR POPIS PROCESORU A INSTRUKÈNÍ SOUBOR
programového vybavení bylo pak pro vìtší série možné použít ten samý procesor v laciném plastovém pouzdru, který však nemìl možnost pøeprogramování, nebo pouzdro nemohlo mít okénko nutné pro vymazání pamìti EPROM pomocí UV záøení Díky velmi dobøe zvládnuté technologii flash slavila firma Atmel velké úspìchy s tímto mikroprocesorem To vedlo firmu k uvedení vlastních odvozených typù Na jedné stranì nìkteré aplikace nepotøebují tolik vstupù/výstupù jako má mikroprocesor v pouzdøe DIL40, takže se objevil napø v pouzdøe DIL20 typ AT89C2051, na druhé stranì nárùst složitosti aplikací spolu s èastìjším používáním vyšších programovacích jazykù donutily výrobce implementovat do mikroprocesoru stále vìtší pamì programu a v menší míøe i vìtší program dat Složitìjší aplikace taktéž vyžadovaly nové a nové periferie Proto v této øadì mikroprocesorù s jádrem 8051 najdeme obvody s integrovaným obvodem Watchdog, analogovým komparátorem, pamìtí EEPROM pro konfiguraèní èi kalibraèní data, pamìtí programu až 32 kb, rozhraní SPI, dvojitým data pointerem I když tyto inovace spolu se zlepšující se technologií pøinesly zvýšení hodinového kmitoètu procesoru až na 33 MHz a tím zvýšení výpoèetního výkonu až na 2,75 Mips, pøece jen potøebám nìkterých aplikací pøestaly tyto procesory staèit Proto se v norském vývojovém centru Nordic VLSI v Trondheimu zaèátkem devadesátých let minulého století skupina návrháøù hw spolu s programátory rozhodla navrhnout novou strukturu mikrokontroléru tak, aby struktura tohoto mikrokontroléru vyhovovala pøekladaèùm vyšších programovacích jazykù, zejména široce používaného jazyka C Výsledkem práce této skupiny bylo optimalizované jádro nové øady mikroprocesorù s Harwardskou architekturou nesoucí hlavní charakteristiky mikroprocesorù s redukovanou instrukèní sadou (RISC Reduced Instruction Set Controlers) Pøed nìkolika lety koupila firma Atmel od norských vývojáøù tuto koncepci, na které je založena rodina AVR, kterou také uvedla v druhé polovinì devadesátých let na trh Pøes zdánlivou podobnost s jádrem mikroprocesoru 8051 najdeme zde podstatné odchylky Pøedevším je to šíøe instrukèního slova zvìtšená na 16 bitù Zvìtšení šíøky instrukèního slova na jednu stranu zvìtšilo požadavky na velikost pamìti, na druhou stranu však umožnilo zrychlit naètení mnoha instrukcí, nebo kromì nìkolika výjimek vystaèí instrukce s jedním slovem, tj mikroprocesor je dokáže naèíst bìhem jednoho hodinového cyklu Druhým velkým rozdílem je propojení ALU s polem 32 pracovních registrù To umožnilo snížit poèet hodinových taktù potøebných na provedení témìø všech instrukcí na pouhé dva takty, naètení + dekódování a vykonání To, že instrukce vystaèí s jedním slovem, umožnilo implementaci jednoduchého pøekrývání instrukcí (pipelining) Poèet hodinových taktù potøebných na vykonání instrukce typu registr-registr se tímto snížil na pouhý 1 hodinový takt, tj na 1 MHz hodinového kmitoètu pøipadá výkon 1 Mips Srovnáme-li toto se základním instrukèním cyklem øady 8051, vidíme, že jádro nové øady mikroprocesorù AVR dokáže poskytnout až 12 vìtší výpoèetní výkon pøi shodném hodinovém kmitoètu 10 VLADIMÍR VÁÒA A